РОЗРОБКА КОДЕРА І ДЕКОДЕРА ЗГОРТКОВОГО КОДУ З ШВИДКІСТЮ КОДУВАННЯ R=3/2

 

ПІД-СЕКЦІЯ 17. Електроніка.

Здробилко А.В.

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

 

РОЗРОБКА КОДЕРА І ДЕКОДЕРА ЗГОРТКОВОГО КОДУ З ШВИДКІСТЮ КОДУВАННЯ R=2/3


 

В електронних системах широко використовується обробка інформації, поданої в аналоговій і цифровій формах. Пояснюється це тим, що первинна інформація про різні фізичні величини і процеси має, як правило, аналоговий характер. Обробку ж цієї інформації та її передачу зручніше здійснювати в цифровій формі.

До переваг цифрового представлення інформації відносять:

  • Проведення операцій над двійковими кодами, цифровими сигналами не зменшує відношення сигнал/шум на виході.
  • Підвищує достовірність передачі повідомлення, знижуючи до мінімальних значень імовірність одержання помилкового результату. Це досягається застосуванням завадостійких і коригувальних кодів.
  • Забезпечує можливість уникнути властивого аналоговому сигналу ефекту накопичення похибки при передачі й обробці.
  • Розпізнавання цифрових сигналів не залежить від нестабільності коефіцієнтів підсилення чи коефіцієнтів передачі апаратури.
  • Нелінійні спотворення сигналів, що передаються у цифровій формі, значно менші ніж аналогових сигналів.
  • У процесі обробки цифрового сигналу можна ширше використовувати елементи цифрової електронно-обчислювальної техніки.
  • Можливе усунення надмірності інформації, ущільнення частотного спектра сигналу телевізійного сигналу, в результаті чого смуга частот, необхідна для передачі зображення, знижується.
  • Зменшує вартість передачі, обробки, зберігання інформації.

Недолік цифрового подання інформації є розширення смуги частот кодових ім­пульсів, що переносять інформацію про відлікове значення закодованого аналогового сигналу порівняно зі смугою частот самого аналогового сигналу.

Так, як переваг використання цифрового представлення інформації більше чим недоліків, я вбачаю актуальність його використання в даній роботі.

Сучасні систем зв'язку працюють при передачі самого широкого спектра сигналу (від телеграфу до супутникових систем) в цифровому вигляді. Але через наявність перешкод в каналах зв'язку збій при прийомі будь-якого елементу викликає спотворення цифрових даних, що може привести (особливо в космічних системах зв'язку) до катастрофічних наслідків. В даний час по каналах зв'язку передаються цифрові дані з настільки високими вимогами до достовірності інформації, що задовольнити ці вимоги традиційним вдосконаленням антенних трактів радіоліній, збільшенням випромінюваної потужності, зниженням власного шуму приймача виявляється економічно невигідним або просто неможливим.

Високоефективним засобом боротьби з перешкодами в цифрових системах зв'язку є застосування завадостійкого кодування, заснованого на введенні штучної надмірності в передане повідомлення, що призводить до розширення використовуваної смуги частот і зменшення інформаційної швидкості передачі. Так, в системах персонального радіовиклику (пейджингові системи) використовуються блокові циклічні коди, стільникових системах зв'язку застосовуються як блокові, так і згорткові коди, переважній більшості супутникових систем зв'язку, основному, використовуються безперервні згорткові коди.

Основні завдання теорії завадостійкого кодування полягають у побудові кодів з високою коректувальною здатністю, що забезпечують максимальний енергетичний виграш від використання кодування при допустимому рівні ймовірності помилки, і в розробці високоефективних алгоритмів їх декодування, що практично реалізовуються.

      Згорткові коди широко використовуються в сучасних цифрових телекомунікаційних системах для підвищення завадостійкості передавання інформації при дії різних завад. Нерекурсивні згорткові коди, що використовуються спільно з декодуванням за алгоритмом Вітербі, складають сьогодні найбільш популярний клас завадостійких кодів, що використовуються як безпосередньо в каналах з двійковими сигналами, так і як зовнішні коди у складі сигнально-кодових конструкцій.

Для підвищення достовірності прийому при найбільш низькій величині енергії на біт в цифровому потоці на вході ресівера зазвичай використовується згортковий код структури 1/2, який застосовується в простих наземних (місцевих) каналах телефонного зв'язку стандарту GSM. У випадку ретрансляції телевізійних цифрових програм через супутники при використанні квадратурно-фазової маніпуляції несучої (QPSK) код структури 1/2 не буде оптимальним, більш доцільно застосовуються згорткові коди складних структур, наприклад код зі структурою  2/3.

Розроблено кодер, з степеню кодування 2/3, тобто кожним двом бітам, відповідають 3 вихідних.

Основні характеристики кодера:

1. швидкість коду r=k/ n де k - кількість вхідних символів, а n — кількість символів на виході кодера. В нашому випадку k=2, n=3;

2. пам’ять кодера (m) — загальна довжина регістрів зміщення, використовується кодером. m=3;

3. кодове обмеження (K) - число символів на виході кодера, що впливають на n символів на виході кодера. Для нашого випадку дорівнює K=4.

Для декодування загорткового коду використано алгоритм Вітербі, що відрізняється простотою реалізації при помірних довжинах кодового обмеження. Алгоритм Вітербі реалізує оптимальне (максимально правдоподібне) декодування як рекурентний пошук на кодових гратах шляху, найближчого до послідовності, що приймається.

Алгоритм роботи декодера Вітербі:

  1. Установити  потрібну  глибину  декодування  , L ≥5k   де  k -  довжина  кодового обмеження, тобто для нашого декодера L≥10. Старт здійснюється із  0 по решітці.
  2. Перейти  на  наступний  шар  решітці,  обновив  метрики  шляхів.  В  початковий  момент  ця операція  повторюється  для  кожного  шару  L   раз.  Знайдений  код  кожного  шляху  заноситься  в  пам’ять кодів шляхів.
  3. На  L -ій  ділянці  виконується  порівняння метрик  шляхів,  видається  код,  відповідний мінімальній метриці.
  4. Здійснюється прийом нового ребра і перехід на один шар решітки вперед.

Зрушення пам'яті кодів відбувається на одну клітинку.

  1. Обчислюється метрики шляхів.
  2. Видати код, відповідний мінімальної метриці.

Після декодування отриманно інформацію в такому вигляді, що й передавали, це свідчить про ефективність цього коду. Основними критеріями роботы кодера і декодера являються: вірогідність помилки(Pпом) і коефіцієнт шуму(E/N). В нашому випадку E/N=4 дБ ; Pпом =10^(-4) що задовільняє всім сучасним вимогам.

Можна зробити висновок,що коди зі швидкістю 1/2, характеризуються достатьньо високою степеню надликовості, що приводить до сутьевого зниження пропускної здатності телекомунікаційних систем. В звязку з цим і був розроблений викорстаний код зі швидкістю 2/3.

Основним недоліком кодів n+1/n являється те, що зі збільшенням n експоненціально збільшується складність декодера і приладу в цілому.

До плюсів можна віднести те що:

- застосування згорткових кодів різних структур при QPSK цифрового потоку дозволяє ефективно використовувати супутникові частотні канали.

- збільшується швидкість передачі даних

Таким чином розроблено код зі степеню 2/3 для випадку ретрансляції телевізійних цифрових програм через супутники при використанні квадратурно-фазової маніпуляції несучої , який задовольняє всім сучасним вимогам до швидкості і достовірності передачі даних.

 

Література:

  1. Ванін В.В., Бліок А.В., Гнітецька Г.О. Оформлення конструкторської документації . Навч. посібник. – К.: Каравела, 2003. – 160 с.
  2. Витерби А.Д., Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования /Пер. с англ. под ред. К.Ш. Зигангирова. — М.: Радио и связь, 1982. — 536 с.
  3. ВолковфЛ.Н.фСистемы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики : учебное пособие / Л. Н. Волков, М. С. Немировский, Ю. С. Шинаков. – М. : Эко-Трендз, 2005. – 392 с.
  4. Денбновецький С.В. Електронні системи : навч. посіб. / С. В. Денбновецький, О. В. Лещишин ; Нац. техн. ун-т України Київ. політехн. ін-т. - К. : НТУУ КПІ, 2011. – 288 с.